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EP1450028A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines piezoelektrischen Aktors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines piezoelektrischen Aktors Download PDF

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Publication number
EP1450028A2
EP1450028A2 EP03104714A EP03104714A EP1450028A2 EP 1450028 A2 EP1450028 A2 EP 1450028A2 EP 03104714 A EP03104714 A EP 03104714A EP 03104714 A EP03104714 A EP 03104714A EP 1450028 A2 EP1450028 A2 EP 1450028A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
force
characteristic
characteristic curve
injector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03104714A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1450028A3 (de
Inventor
Holger Rapp
Marco Gangi
Udo Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1450028A2 publication Critical patent/EP1450028A2/de
Publication of EP1450028A3 publication Critical patent/EP1450028A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
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    • F02D2041/2086—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils with means for detecting circuit failures
    • F02D2041/2089—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils with means for detecting circuit failures detecting open circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for monitoring a piezoelectric actuator according to the preambles of the independent claims.
  • a method and an apparatus for measuring the voltage of a piezoelectric Actuator is known from EP 11 38 902. Such actuators are used in particular Control of an injector used, in particular to control the Serve fuel metering in an internal combustion engine.
  • a characteristic curve of the actuator is determined and this is compared with an expected characteristic.
  • the determined characteristic deviates from the expected characteristic, an error is recognized according to the invention.
  • One Procedure can cause numerous errors in the area of the actuator or in the area of the Injector can be reliably recognized.
  • a force-displacement characteristic is preferably determined. This is with little effort determinable. Certain errors lead to characteristic courses. From these It is possible to reliably identify various errors over the course of the course.
  • the force-displacement characteristic can be done easily by capturing pairs of values for the cargo and the voltage can be determined.
  • the method and the device are tested as part of the test At regular intervals, for example at Maintenance work and / or carried out continuously while the injector is in operation.
  • Realizations in the form of a are of particular importance Computer program with program code means and in the form of a Computer program product with program code means.
  • the invention Computer program has program code means to complete all steps of the perform the inventive method when the program on a Computer, in particular a control unit for an internal combustion engine Motor vehicle is running.
  • the invention is in one Control unit stored program realized so that this with the program provided control unit represents the invention in the same way as the method whose execution the program is suitable.
  • the invention Computer program product has program code means which are based on a computer-readable data carriers are stored by the method according to the invention perform when the program product on a computer, especially a Control unit for an internal combustion engine of a motor vehicle is executed.
  • the invention is implemented by a data carrier, so that the inventive method can be carried out if the program product or the data carrier in a control unit for an internal combustion engine, in particular one Motor vehicle is integrated.
  • a data carrier or as a computer program product in particular an electrical storage medium can be used, for example a read-only memory (ROM), an EPROM or an electrical one Permanent storage such as a CD-ROM or DVD.
  • FIG. 1 the essential elements of a device for controlling a Piezo actuator shown.
  • An output stage is labeled 100.
  • This power amp applies voltage to the actuator (not shown) and charges it to one certain time by energizing to predetermined values. Accordingly the actuator by energizing in opposite directions from the output stage to a predetermined one Unload time again.
  • the output stage 100 comprises a current detection 110 and a Voltage detection 120. With these, the current I, which when charging in the Actuator and flows out of the actuator during unloading, measured. Furthermore, the Voltage detection 120 is the voltage U, which characterizes the voltage at the actuator.
  • a corresponding output stage is described for example in EP 11 38 902.
  • the output signal I of the current detection 110 reaches an integrator 130.
  • Am The output of integrator 130 has signal Q, which characterizes the amount of charge, with which the actuator was charged.
  • the output signal Q of the integrator and the output signal U der Voltage detection 120 arrive at a map 140.
  • the characteristic diagram determination 140 the current force-displacement characteristic.
  • the force-displacement characteristic curve determined in this way arrives at the map evaluation 150, which it includes compares a given characteristic curve. Detects the map evaluation 150 a corresponding deviation, this is reported back to the output stage 100 or alternatively or additionally displayed to the driver by means of an error display 160.
  • an error of a higher-level control system Influenced fuel metering for example, is also signaled.
  • a first step 200 the rail pressure P is measured at the beginning of the method. This pressure is the pressure against which the actuator works.
  • the start of the charging process is at fixed intervals or at fixed intervals Crankshaft revolution in a step 210, the voltage U on the actuator, and the Charge Q that is loaded into the actuator is recorded.
  • the subsequent query 220 checks whether the actuator is fully charged. That it is checked whether the loading process is completed. If this is not the case, step 210 takes place again. This means that during the entire charging process in discrete measuring points, which are preferred are equidistant, the charge Q that flows into the actuator and the one applied to the actuator Voltage U is detected.
  • the force-displacement characteristic is determined in step 230.
  • the force-displacement characteristic curve determined with a expected course compared.
  • the subsequent query 250 checks whether a There is a deviation. If this is not the case, the program ends in step 260 if this is the case, an error is recognized in step 270. Such a detected error will preferably displayed to the driver or there is a corresponding emergency operation initiated and / or performed an emergency shutdown.
  • Three phases are usually used to control an actuator during an injection distinguished.
  • the actuator In a first phase, the actuator is charged and moves from it first position to a second position, in a second phase the actuator remains charged and remains in its position, in a third phase it is unloaded and taken thus reverting to its original first position.
  • the force-displacement characteristic is plotted in FIG.
  • the power is with F and the way with X denotes.
  • the force-displacement characteristic of an actuator is for a lower one Rail pressure P1 dashed and a higher rail pressure P2 with a solid line applied.
  • the lines in this diagram are of constant voltage dashed and the lines of constant charge dotted. With increasing The corresponding lines shift with voltage U or with increasing charge Q. constant voltage and / or constant charge to the right.
  • Each point of the force-displacement characteristic clearly corresponds to a pair of values consisting of voltage U and charge Q.
  • the value for charge Q and voltage measured in step 210 U each result in a point in the force-displacement characteristic.
  • the control valve As long as the force on the actuator due to the rail pressure is greater than that for the Coupler applied actuator force, the control valve remains closed.
  • the control valve is located in its lower seat US.
  • the actuator force only works against the elasticity of the individual elements of the injector. According to what is happening
  • the actuator executes a corresponding stroke without balancing the forces Control valve opens. This causes the force-displacement characteristic to be almost linear History. If the actuator force applied via the coupler is greater than that of Rail pressure applied force, so the sealing element detaches from the sealing seat and the actuator expands. This point is shown in the force-displacement characteristic as separation point A1 or referred to as A2 at increased pressure. Up to this point is the force-displacement characteristic almost linear.
  • the actuator continues to expand until there is a balance of forces again between actuator force and the force due to the rail pressure on the control valve.
  • the new balance of forces is formed when the control valve is in the OS point reached the upper seat. Due to the sensory effect of the piezo actuator, one leads greater force on the actuator leads to greater voltage on the actuator. With the same charge you get a higher voltage U with the same stroke X as a result of higher rail pressure.
  • the actuator only works against it Elasticity of the injector parts.
  • Such clamping of the sealing element can, for example caused by contamination and / or a mechanical defect his.
  • a corresponding defect has the effect that the separation point is along of the straight line drawn in dash-dot lines in FIG.
  • a jamming valve is identified checks whether the straight line exceeds the permissible separation point, which depends on the rail pressure, goes out, or it is checked whether a corresponding control Characteristic point, i.e. a pair of values for the voltage and the charge, above the expected separation point occurs.
  • the detection takes place, for example, in that a smaller one with the same charge Voltage is present or that, in order to achieve the same voltage, more charge in the Actor must be invited.
  • the gradient of the force-displacement characteristic is preferred determined and detected for errors when the slope is almost zero assumes that is less than a certain value.
  • the certain value corresponds the slope in perfect condition.
  • a shift failure is detected, an entry is made in the error memory of the control unit and / or the error is signaled to the driver and causes him to service visit.
  • a larger shift loss means that through the Control valve in the associated cylinder no fuel is injected.
  • FIG. 6 is a corresponding displacement-force diagram of an actuator with increased frictional force applied.
  • the force increases significantly steeper than on one faultless actuator. That means the slope of the force-displacement characteristic is greater than one expected value. This error is recognized if the slope of the Force-displacement characteristic exceeds a certain value. The certain value corresponds the slope when in perfect condition.
  • an entry is preferably made in the Control unit fault memory.
  • Signaling to the driver can also be carried out by a signal lamp and / or other measures, such as torque limitation, respectively. This can prevent a total failure of the injector in good time. That it can be timely due to the possibly increasing friction force long-term injections or misfires can be avoided in good time.
  • torque limitation By reducing the available torque, the driver forced to go to a workshop. With a slightly increased friction within permissible limits it can be provided that the changed opening and Injector closing behavior by correcting the electrical activation starts and / or the electrical activation duration and / or the charging time and / or the Actuator target voltage is corrected.
  • the characteristic curve which results in the case of a leaky coupler is plotted in FIG. is If the coupler leaks, this means that the actuator will also leak when the charge is constant continues to move and the stroke increases until it regains its balance of forces comes. In the force-displacement characteristic of the actuator, this means that at constant permanent charge the actuator voltage along the straight line for constant charge sinks. The temporal change in the actuator voltage depends on the size of the Leakage. As the actuator stroke continues to increase, however, the actuator force also decreases until the force due to rail pressure increases and the sealing element extends to the equilibrium of forces moved back. This closes the nozzle needle again.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of an injector 1 with a central one Drilling.
  • an actuating piston 3 with a piezoelectric actuator 2 in the introduced central bore, the actuating piston 3 is firmly connected to the actuator 2 is.
  • the actuating piston 3 closes off a hydraulic coupler 4 while downward an opening with a connecting channel to a first seat 6 is provided is in which a piston 5 is arranged with a valve closing member 12.
  • the Valve closing member 12 is designed as a double closing control valve. It closes the first seat 6 when the actuator 2 is at rest.
  • a nozzle needle 11 is arranged, which the outlet in one High-pressure duct (common rail pressure) 13 closes or opens, depending on which one Control voltage Ua is present.
  • the high pressure is caused by the medium to be injected, for example fuel for an internal combustion engine, supplied via an inlet 9,
  • the inflow amount of the medium is via an inlet throttle 8 and an outlet throttle 10 controlled in the direction of the nozzle needle 11 and the hydraulic coupler 4.
  • the Hydraulic coupler 4 has the task, on the one hand, of increasing the stroke of the piston 5 amplify and on the other hand the control valve from the static temperature expansion of the Decouple actuator 2.
  • the refilling of the coupler 4 is not shown here.
  • the hydraulic coupler 4 must therefore be refilled between two injections to maintain its functional reliability.
  • P1 is the so-called Coupler pressure denotes how it is measured in the hydraulic coupler 4. In the coupler sets a stationary pressure P1 without control Ua, which is 1/10 of the Pressure in the high pressure part. After the actuator 2 has been discharged, the coupler pressure is P1 approximately 0 and is raised again by refilling.
  • pairs of measured values for the voltage on the Injector is present, and the charge that is loaded into the injector is detected.
  • the charge is detected by a current measurement, the current value is integrated.
  • These pairs of values are entered in a map in the control unit. This map determined in this way is then compared with an expected map. If the measured map deviates from the expected map, an error occurs recognized. Different errors are identified based on the type of deviation.
  • the map in which the expected course of the force-displacement characteristic is stored is preferably before the first start-up and / or the first start-up of the Injector determined. It is particularly advantageous if this reference map is applied stored and learned during operation. This means whenever that Map is measured again, the map values with the old map compared. If the deviation is smaller than a threshold value, the old and new values a new mean is determined. Alternatively, it can also be provided that that if there is a small deviation, the new value is used immediately. give way the old and the new value pairs differ significantly from each other, i.e. by more than one Threshold, so it is recognized for errors.

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines piezoelektrischen Aktors zur Steuerung eines Injektors beschrieben. Es wird eine Kennlinie des Aktors ermittelt. Die ermittelte Kennlinie wird mit einer erwarteten Kennlinie verglichen. Bei einer Abweichung der ermittelten Kennlinie von der erwarteten Kennlinie wird ein Fehler des Injektors erkannt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines piezoelektrischen Aktors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Spannung eines piezoelektrischen Aktors ist aus der EP 11 38 902 bekannt. Solche Aktoren werden insbesondere zur Steuerung eines Injektors verwendet, die insbesondere zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine dienen.
Im Bereich eines solchen Injektors bzw. eines solchen piezoelektrischen Aktors können eine Vielzahl von Fehlern auftreten. So kann beispielsweise auf Grund verschiedener Ursachen, wie beispielsweise Verschleiß, eine erhöhte mechanische Reibung auftreten. Diese kann so weit gehen, dass einzelne Bauelemente des Injektors sich nicht mehr bewegen. Des weiteren kann er Fall eintreten, dass Undichtigkeiten auftreten, oder dass Strömungen von zu steuernden Flüssigkeiten unterbunden oder erschwert sind. Ferner kann als Fehler auftreten, dass einzelne Schichten des Piezoaktors beschädigt oder nicht mehr funktionsfähig sind. Ferner kann der Fall eintreten, dass der Aktor fehlerhaft elektrisch kontaktiert wird.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Kennlinie des Aktors ermittelt wird und diese mit einer erwarteten Kennlinie verglichen wird. Weicht die ermittelte Kennlinie von der erwarteten Kennlinie ab, so wird erfindungsgemäß ein Fehler erkannt. Mit einer solchen Vorgehensweise können zahlreiche Fehler im Bereich des Aktors bzw. im Bereich des Injektors sicher erkannt werden.
Vorzugsweise wird eine Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt. Diese ist mit geringem Aufwand bestimmbar. Bestimmte Fehler führen zu charakteristischen Verläufen. Aus diesen Verläufen ist eine sichere Erkennung verschiedener Fehler möglich. Die Kraft-Weg-Kennlinie kann in einfacher Weise durch Erfassung von Wertepaaren für die Ladung und die Spannung ermittelt werden.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren und die Vorrichtung im Rahmen der Prüfung des Injektors vor der ersten Inbetriebnahme, in regelmäßigen Abständen, beispielsweise bei Wartungsarbeiten und/oder ständig im laufenden Betrieb des Injektors durchgeführt.
Von besonderer Bedeutung sind weiterhin die Realisierungen in Form eines Computerprogramms mit Programmcode-Mitteln und in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcode-Mitteln. Das erfindungsgemäße Computerprogramm weist Programmcode-Mittel auf, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, ausgeführt wird. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein in dem Steuergerät abgespeichertes Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Steuergerät in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt weist Programmcode-Mittel auf, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgeführt wird. In diesem Fall wird also die Erfindung durch einen Datenträger realisiert, so dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, wenn das Programmprodukt bzw. der Datenträger in ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs integriert wird. Als Datenträger bzw. als Computerprogrammprodukt kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Read-Only-Memory (ROM), ein EPROM oder auch ein elektrischer Permanentspeicher wie beispielsweise eine CD-ROM oder DVD.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen
  • Figur 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • Figur 2 ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • Figuren 3 bis 7 verschiedene Kennfelder, die charakteristisch für verschiedene Fehler sind und
  • Figur 8 ein Injektor.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
    Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am Beispiel eines sogenannten Common-Rail-Systems, bei dem ein piezoelektrischer Aktor die von einem Injektor zugemessene Kraftstoffmenge steuert, beschrieben.
    In Figur 1 sind die wesentlichen Elemente einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors dargestellt. Eine Endstufe ist mit 100 bezeichnet. Diese Endstufe beaufschlagt den nicht dargestellten Aktor mit Spannung und lädt diesen zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Bestromen auf vorgegebene Werte auf. Entsprechend wird der Aktor durch entgegengesetztes Bestromen von der Endstufe zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wieder entladen. Die Endstufe 100 umfasst eine Stromerfassung 110 und eine Spannungserfassung 120. Mit diesen wird jeweils der Strom I, der beim Laden in den Aktor und beim Entladen aus dem Aktor heraus fließt, gemessen. Des weiteren erfasst die Spannungserfassung 120 die Spannung U, die die Spannung am Aktor charakterisiert. Eine entsprechende Endstufe ist beispielsweise in der EP 11 38 902 beschrieben.
    Das Ausgangssignal I der Stromerfassung 110 gelangt zu einem Integrator 130. Am Ausgang des Integrators 130 liegt das Signal Q an, das die Ladungsmenge charakterisiert, mit der der Aktor aufgeladen wurde.
    Das Ausgangssignal Q des Integrators und das Ausgangssignal U der Spannungserfassung 120 gelangen zu einer Kennfeldermittlung 140. Ausgehend von den Größen Q und U ermittelt die Kennfeldermittlung 140 die aktuelle Kraft-Weg-Kennlinie. Die so ermittelte Kraft-Weg-Kennlinie gelangt zur Kennfeldauswertung 150, die sie mit einem vorgegebenen Kennlinienverlauf vergleicht. Erkennt die Kennfeldauswertung 150 eine entsprechende Abweichung, so wird dies der Endstufe 100 zurückgemeldet bzw. alternativ oder ergänzend mittels einer Fehleranzeige 160 dem Fahrer angezeigt. Des weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Fehler einer übergeordneten Steuerung, die beispielsweise die Kraftstoffzumessung beeinflusst, ebenfalls signalisiert wird.
    Die Funktionsweise dieser Vorrichtung wird im Folgenden anhand des Flussdiagrammes der Figur 2 beschrieben. Das im Folgenden beschriebene Verfahren wird vorzugsweise im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt. Bei allen Ansteuerungen eines Piezoaktors, oder lediglich bei einer vorgegebenen Anzahl von Ansteuerungen wird das im Folgenden beschriebene Verfahren eingesetzt. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren bei der Wartung oder vor der ersten Inbetriebnahme des Aktors durchgeführt wird. Das heißt das Verfahren ist sowohl im laufenden Betrieb, als auch im Rahmen der Wartung oder vor oder bei der ersten Inbetriebnahme des Aktors einsetzbar.
    In einem ersten Schritt 200 wird zu Beginn des Verfahrens der Raildruck P gemessen. Bei diesem Druck handelt es sich um den Druck, gegen den der Aktor arbeitet. Mit Beginn des Ladevorgangs wird in festen Zeitabständen bzw. in festen Abständen der Kurbelwellenumdrehung in einem Schritt 210 die Spannung U am Aktor, sowie die Ladung Q, die in den Aktor eingeladen wird, erfasst. Die sich anschließende Abfrage 220 überprüft, ob der Aktor vollständig geladen ist. D.h. es wird geprüft, ob der Ladevorgang abgeschlossen ist. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt erneut Schritt 210. Dies bedeutet, dass während des gesamten Ladevorgangs in diskreten Messpunkten, die vorzugsweise äquidistant sind, die Ladung Q, die in den Aktor einfließt, und die am Aktor anliegende Spannung U erfasst wird.
    Ist der Ladevorgang beendet, so wird in Schritt 230 die Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt. Im anschließenden Schritt 240 wird die ermittelte Kraft-Weg-Kennlinie mit einem erwarteten Verlauf verglichen. Die anschließende Abfrage 250 überprüft, ob eine Abweichung vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so endet das Programm in Schritt 260. Ist dies der Fall, so wird im Schritt 270 auf Fehler erkannt. Ein solcher erkannter Fehler wird vorzugsweise dem Fahrer angezeigt bzw. es wird ein entsprechender Notfahrbetrieb eingeleitet und/oder eine Notabschaltung durchgeführt.
    Üblicherweise werden bei einer Einspritzung drei Phasen der Ansteuerung eines Aktors unterschieden. In einer ersten Phase wird der Aktor geladen und bewegt sich von seiner ersten Position in eine zweite Position, in einer zweiten Phase bleibt der Aktor geladen und verbleibt damit in seiner Position, in einer dritten Phase wird er entladen und nimmt damit seine ursprüngliche erste Position wieder ein.
    Die beschriebene Messung der Ladung Q und der Spannung U erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform über alle drei Phasen. Verschieden Fehler können bereits am Ende des Ladevorgangs erkannt werden. Andere Fehler können dagegen erst nach Abschluss der zweiten Phase und/oder nach dem Ende des Entladevorgangs erkannt werden.
    In Figur 3 ist die Kraft-Weg-Kennlinie aufgetragen. Die Kraft ist mit F und der Weg mit X bezeichnet. Dabei ist die Kraft-Weg-Kennlinie eines Aktors für einen niederen Raildruck P1 gestrichelt und einen höheren Raildruck P2 mit einer durchgezogenen Linie aufgetragen. Zusätzlich sind in diesem Diagramm die Linien mit konstanter Spannung gestrichelt und die Linien konstanter Ladung punktiert aufgetragen. Mit steigender Spannung U bzw. mit steigender Ladung Q verschieben sich die entsprechenden Linien konstanter Spannung und/oder konstanter Ladung nach rechts.
    Jedem Punkt der Kraft-Weg-Kennlinie entspricht eindeutig ein Wertepaar aus Spannung U und Ladung Q. Die im Schritt 210 gemessen Wert für die Ladung Q und die Spannung U ergeben jeweils einen Punkt in der Kraft-Weg-Kennlinie. Durch Messung mehrere Wertepaare für die Ladung Q und die Spannung U während des Ladevorgangs und/oder während des Entladevorgangs erfolgt die Ermittlung der Kraft-Weg-Kennlinie in Schritt 230.
    So lange die Kraft auf den Aktor in Folge des Raildrucks größer ist, als die für den Koppler aufgebrachte Aktorkraft, bleibt das Steuerventil geschlossen. Das Steuerventil befindet sich in seinem unteren Sitz US. Die Aktorkraft wirkt nur gegen die Elastizität der einzelnen Elemente des Injektors. Entsprechend dem sich einstellenden Kräftegleichgewicht führt der Aktor einen entsprechenden Hub aus, ohne dass sich das Steuerventil öffnet. Dies bewirkt, dass die Kraft-Weg-Kennlinie einen nahezu linearen Verlauf besitzt. Wird die über den Koppler aufgebrachte Aktorkraft größer, als die vom Raildruck aufgebrachte Kraft, so löst sich das Dichtelement vom Dichtsitz und der Aktor dehnt sich aus. Dieser Punkt wird in der Kraft-Weg-Kennlinie als Ablösepunkt A1 bzw. bei erhöhtem Druck als A2 bezeichnet. Bis zu diesem Punkt ist die Kraft-Weg-Kennlinie nahezu linear.
    Im Folgenden dehnt sich der Aktor weiter aus, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht zwischen Aktorkraft und der Kraft in Folge des Raildrucks auf das Steuerventil ausbildet. Das neue Kräftegleichgewicht bildet sich aus, wenn das Steuerventil im Punkt OS seinen oberen Sitz erreicht. Auf Grund des sensorischen Effekts des Piezoaktors führt eine größere Kraft auf den Aktor zu einer größeren Spannung am Aktor. Bei gleicher Ladung erhält man bei gleichem Hub X in Folge höherem Raildruck eine höhere Spannung U.
    Klemmt das Dichtelement des Steuerventils, so arbeitet der Aktor nur gegen die Elastizität der Injektorteile. Ein solches Klemmen des Dichtelements kann beispielsweise durch eine Verschmutzung und/oder einen mechanischen Defekt desselben verursacht sein. Ein entsprechender Defekt wirkt sich derart aus, dass sich der Ablösepunkt entlang der in Figur 3 strichpunktiert eingezeichneten Geraden verschiebt.
    Bei einem im geschlossenen Sitz klemmenden Steuerventil ergibt sich im Vergleich zum Fehlerfreien Betrieb bei gleicher Ladung eine höhere Spannung U, da der Aktor nur gegen die Elastizität der Injektorteile arbeitet und eine geringere Ausdehnung realisiert, als im fehlerfreien Betrieb. Damit lässt sich durch eine einfache Messung an wenigen Betriebspunkten ein entsprechender Defekt erkennen. Erfindungsgemäß wird ein klemmendes Ventil erkannt, wenn eine Kombination von Spannungs- und Ladungswerten auftritt, die auf der dargestellten Geraden liegt und nicht mit dem gemessenen Raildruck plausibel ist, d.h. bei einem Druck P1 wird auf Fehler erkannt, wenn der Messdruck bei entsprechend größeren Spannungen oder/und Ladungen liegt.
    Erfindungsgemäß wird zur Erkennung eines klemmenden Ventils im Schritt 240 überprüft, ob die Gerade über den zulässigen Ablösepunkt, der vom Raildruck abhängt, hinausgeht, bzw. es wird überprüft, ob bei entsprechender Ansteuerung ein Kennlinienpunkt, das heißt ein Wertepaar für die Spannung und die Ladung, oberhalb des erwarteten Ablösepunktes auftritt.
    Ein weiterer Fehler besteht darin, dass der hydraulische Koppler zwischen dem Stellkolben des Aktors und dem Kolben des Steuerventils zwischen zwei Zumessungen nur unvollständig befüllt wird. Ein solcher unvollständig befüllter hydraulischer Koppler hat zur Folge, dass der Abstand zwischen dem Stellkolben des Aktors und dem Kolben des Steuerventils kleiner als bei einem vollständig befüllten hydraulischen Koppler ist. Demzufolge muss der Aktor den geringeren Abstand mit einem größeren Hub kompensieren. Die Ursache für einen unbefüllten Koppler sind zum Beispiel ein zu geringer Befülldruck, oder dass das Steuerventil im offenen Zustand verbleibt und nicht schließt.
    Bei einem unvollständig befüllten Koppler ergibt sich im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb ein Versatz nach rechts auf der Hubachse X, da der Piezoaktor einen sogenannten Leerweg macht, bevor sich eine entsprechende Aktorkraft aufbaut. Dies bewirkt in der Kraft-Weg-Kennlinie ein Bereich, in dem die Steigung der Kraft-Weg-Kennlinie deutlich kleiner ist als erwartet. Vorzugsweise nimmt die Steigung einen Wert von nahezu Null an. Ein entsprechender Verlauf ist beispielhaft in Figur 4 strichpunktiert aufgetragen. Wird in Schritt 240 ein entsprechender Kennlinienverlauf erkannt, erkennt die Einrichtung auf einen unzureichend befüllten Koppler.
    Die Erkennung erfolgt beispielsweise dadurch, dass bei gleicher Ladung eine kleinere Spannung anliegt bzw. dass, um die gleiche Spannung zu erzielen, mehr Ladung in den Aktor eingeladen werden muss. Vorzugsweise wird die Steigung der Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt und auf Fehler erkannt, wenn die Steigung nahezu den Wert Null annimmt, das heißt kleiner als ein bestimmter Wert ist. Der bestimmte Wert entspricht der Steigung im fehlerfreien Zustand.
    Bei einem Ausfall von einzelnen Schichten der Piezokeramik des Piezoaktors ergibt sich ein geänderter Verlauf der geraden mit konstanter Ladung bzw. der Geraden mit konstanter Spannung. Diese veränderten Geraden mit konstanter Ladung und/oder Spannung sind in Figur 5 dargestellt. Solche Ausfälle von Aktorschichten werden im Wesentlichen durch Risse in der Schicht oder Abfall der Kontaktierungselektrode verursacht. Die Geraden konstanter Spannung verlaufen steiler bei konstantem Kraftachsenabschnitt, da mehr Spannung nötig ist, um den gleichen Hub wie im fehlerfreien Fall zu realisieren. Die Geraden konstanter Ladung verlaufen steiler bei konstantem Ausdehnung, da weniger Schichten zur Ladungsaufnahme vorhanden sind. Dies führt zu einer Verzehrung der Kraft-Weg-Kennlinie. Bei einem Schichtausfall ergibt sich im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb bei gleicher Ladung eine höhere Aktorspannung, da der Piezoaktor mehr Spannung benötigt, um den gleichen Hub zu realisieren. Hierzu wird der erwartete Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie mit der ermittelten Kennlinie verglichen. Ausgehend von den ermittelten Abweichungen wird dann der Fehler erkannt.
    Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schichtausfall unmittelbar nach dem Verbau am Bandende beim Kunden auftritt ist sehr gering. Aufgrund dessen kann mit der gleichen Vorgehensweise ein verpolter Aktor erkannt werden. Eine Verpolung des Aktors führt zu einer Umpolarisation der Keramik, was wiederum zu einer geringeren Kapazität des Aktors führt.
    Wird ein Schichtausfall erkannt, erfolgt ein Eintrag im Fehlerspeicher des Steuergeräts und/oder der Fehler wird dem Fahrer signalisiert und veranlasst ihn, den Service aufzusuchen. In der Regel bedeutet ein größerer Schichtenausfall, dass durch das Steuerventil in den zugehörigen Zylinder kein Kraftstoff eingespritzt wird.
    Kommt es auf Grund eines Fehler zu einer erhöhten Reibung in der Wirkkette zwischen Aktor und Steuerventil, so wird zur Überwindung der Reibkraft eine höhere Aktorkraft benötigt. Dies äußert sich darin, dass im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb bei gleicher Ladung eine höhere Aktorspannung benötigt wird, da der Aktor zusätzlich gegen die zusätzliche Reibkraft arbeitet und einen geringeren Hub realisiert.
    Wird die Reibung und dadurch der Hubverlust zu groß, so öffnet das Steuerventil nicht mehr und es kommt zum Ausbleiben der Einspritzung.
    Bei einer zusätzlichen Reibkraft ergibt sich im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb bei gleicher Ladung eine niedere Aktorspannung beim Laden, da der Piezoaktor zusätzlich gegen die zusätzliche Reibkraft arbeitet und mit einer größeren Ausdehnung nachfolgt. Im Extremfall würde sich das Steuerventil nicht mehr schließen und es würde somit zur Dauereinspritzung und möglicherweise ungewollten Beschleunigung des Fahrzeugs kommen.
    Betrachtet man den Lade- und den Entladevorgang, so ergibt sich im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb des Injektors bei gleicher Ladung eine größere Spannungshysterese, die sich auch in einer größeren elektrischen Verlustleistung des Piezoaktors ausdrückt. In Figur 6 ist ein entsprechendes Weg-Kraft-Diagramm eines Aktors mit erhöhter Reibkraft aufgetragen. Beim Laden steigt die Kraft über dem Weg deutlich steiler an, als bei einem fehlerfreien Aktor. Das heißt die Steigung der Kraft-Weg-Kennlinie ist größer als ein erwarteter Wert. Dieser Fehler wird erkannt, wenn beim Ladevorgang die Steigung der Kraft-Weg-Kennlinie einen bestimmten Wert übersteigt. Der bestimmte Wert entspricht der Steigung bei fehlerfreiem Zustand.
    Wird eine unzulässig hohe Reibkraft erkannt, erfolgt vorzugsweise ein Eintrag im Fehlerspeicher des Steuergeräts. Ferner kann zusätzlich eine Signalisierung dem Fahrer durch eine Signallampe und/oder andere Maßnahmen, wie eine Momentbegrenzung, erfolgen. Dadurch kann rechtzeitig ein Totalausfall des Injektors verhindert werden. D.h. es können rechtzeitig durch die sich möglicherweise weiter vergrößernde Reibkraft verursachte Dauereinspritzungen oder Einspritzaussetzer rechtzeitig vermieden werden. Durch eine Verminderung des zur Verfügung stehenden Moments wird der Fahrer gezwungen eine Werkstatt aufzusuchen. Bei einer geringfügig erhöhten Reibung innerhalb zulässiger Grenzen kann vorgesehen sein, dass die veränderten Öffnungs- und Schließverhalten des Injektors durch eine Korrektur der elektrischen Ansteuerbeginne und/oder der elektrischen Ansteuerdauer und/oder der Ladezeit und/oder der Aktorsollspannung korrigiert wird.
    In Figur 7 ist die Kennlinie aufgetragen, die sich bei einem undichten Koppler ergibt. Ist der Koppler undicht, so hat dies zur Folge, dass der Aktor auch bei konstanter Ladung sich weiter bewegt und sich der Hub vergrößert, bis es wieder zum Kräftegleichgewicht kommt. In der Kraft-Weg-Kennlinie des Aktors bedeutet dies, dass bei konstant bleibender Ladung die Aktorspannung entlang der Geraden für die konstante Ladung sinkt. Die zeitliche Änderung der Aktorspannung ist dabei abhängig von der Größe der Leckage. Mit weiter zunehmendem Aktorhub sinkt aber auch die Aktorkraft, bis die Kraft infolge Raildruck größer wird und das Dichtelement sich bis zum Kräftegleichgewicht zurück bewegt. Dadurch wird die Düsennadel wieder geschlossen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei einem undichten Koppler sich im Vergleich zum fehlerfreien Fall eine fallende Aktorspannung im Arbeitspunkt geöffneter Sitz ergibt. Bei einem erkannten undichten Koppler erfolgt ein Eintrag im Fehlerspeicher des Steuergeräts. Ferner wird dem Fahrer der Fehler signalisiert, damit er den Fehler beheben lassen kann. Hierzu ist vorgesehen, dass die Kennlinie über die gesamte Einspritzung, das heißt über den Ladevorgang und den Entladevorgang erfasst wird.
    Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung beispielhaft einen Injektor 1 mit einer zentralen Bohrung. Im oberen Teil ist ein Stellkolben 3 mit einem piezoelektrischen Aktor 2 in die zentrale Bohrung eingebracht, wobei der Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest verbunden ist. Der Stellkolben 3 schließt nach obenhin einen hydraulischen Koppler 4 ab, während nach unten eine Öffnung mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen ist, in dem ein Kolben 5 mit einem Ventilschließglied 12 angeordnet ist. Das Ventilschließglied 12 ist als doppelt schließendes Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 6, wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des Aktors 2, das heißt beim Anlegen einer Ansteuerspannung Ua an den Klemmen +, -, betätigt der Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten Sitzes ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angeordnet, die den Auslauf in einem Hochdruckkanal (Common-Rail-Druck) 13 schließt oder öffnet, je nachdem, welche Ansteuerspannung Ua anliegt. Der Hochdruck wird durch das einzuspritzende Medium, beispielsweise Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor, über einen Zulauf 9 zugeführt, über eine Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 10 wird die Zuflußmenge des Mediums in Richtung auf die Düsennadel 11 und den hydraulischen Koppler 4 gesteuert. Der hydraulische Koppler 4 hat dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 5 zu verstärken und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung des Aktors 2 zu entkoppeln. Die Wiederbefüllung des Kopplers 4 ist hier nicht dargestellt.
    Nachfolgend wird die Funktionsweise dieses Injektors näher erläutert. Bei jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in Richtung des hydraulischen Kopplers 4 bewegt. Dabei bewegt sich auch der Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung auf den zweiten Sitz 7 zu. Über Leckspalte wird dabei ein Teil des im hydraulischen Kopplers 4 befmdlichen Mediums, beispielsweise der Kraftstoff, herausgedrückt.
    Zwischen zwei Einspritzungen muß daher der hydraulische Koppler 4 wiederbefüllt werden, um seine Funktionssicherheit zu erhalten.
    Über den Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der beim Common-Rail-System beispielsweise zwischen 200 und 2000 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 11 und hält sie geschlossen, so daß kein Kraftstoff austreten kann. Wird nun infolge der Ansteuerspannung Ua der Aktor 2 betätigt und damit das Verschlußglied 12 in Richtung des zweiten Sitzes bewegt wird, baut sich der Druck im Hochdruckbereich ab und die Düsennadel 11 gibt den Einspritzkanal frei. Mit P1 ist der sogenannte Kopplerdruck bezeichnet, wie er im hydraulischen Koppler 4 gemessen wird. Im Koppler stellt sich ohne Ansteuerung Ua ein stationärer Druck P1 ein, der beispielsweise 1/10 des Drucks im Hochdruckteil ist. Nach dem Entladen des Aktors 2 ist der Kopplerdruck P1 näherungsweise 0 und wird durch Wiederbefüllung wieder angehoben.
    Erfindungsgemäß werden im Laufe der Ansteuerung eines Injektors in festen Zeitabständen bzw. in festen Winkelabständen Messwertepaare für die Spannung, die am Injektor anliegt, und die Ladung, die in den Injektor eingeladen wird, erfasst. Die Erfassung der Ladung erfolgt durch eine Strommessung, wobei der Stromwert aufintegriert wird. Diese Wertepaare werden im Steuergerät in ein Kennfeld eingetragen. Dieses so ermittelte Kennfeld wird dann mit einem erwarteten Kennfeld verglichen. Weicht das gemessene Kennfeld von dem erwarteten Kennfeld ab, so wird auf Fehler erkannt. Ausgehend von der Art der Abweichung werden unterschiedliche Fehler erkannt.
    Das Kennfeld, in dem der erwartete Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie abgelegt wird, wird vorzugsweise vor der ersten Inbetriebnahme und/oder bei der ersten Inbetriebnahme des Injektors ermittelt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses Referenzkennfeld applikativ abgelegt und im laufenden Betrieb gelernt wird. Dies bedeutet, immer dann, wenn das Kennfeld neu vermessen wird, werden die Kennfeldwerte mit dem alten Kennfeld verglichen. Ist die Abweichung kleiner als ein Schwellwert, so wird aus den alten und neuen Werten einer neuer Mittelwert ermittelt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass bei einer kleinen Abweichung der neue Wert unmittelbar verwendet wird. Weichen die alten und der neuen Wertepaare wesentlich voneinander ab, d.h. um mehr als einen Schwellenwert, so wird auf Fehler erkannt.

    Claims (12)

    1. Verfahren zur Überwachung eines piezoelektrischen Aktors zur Steuerung eines Injektors, wobei eine Kennlinie des Aktors ermittelt wird, die ermittelte Kennlinie mit einer erwarteten Kennlinie verglichen wird und bei einer Abweichung der ermittelten Kennlinie von der erwarteten Kennlinie ein Fehler des Injektors erkannt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass während eines Ladevorganges und/oder eines Entladevorgangs Ladungswerte und zugeordnete Spannungswerte erfasst werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von den Ladungswerten und zugeordneten Spannungswerten eine Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt wird.
    4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Blockierung erkannt wird, wenn die Kraft-Weg-Kennlinie einen weitestgehend linearen Verlauf aufweist.
    5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein unvollständig gefüllter Koppler erkannt wird, wenn die Kraft-Weg-Kennlinie zu Beginn des Ladevorganges nicht linear ansteigt.
    6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein undichter Koppler erkannt wird, wenn die Kraft-Weg-Kennlinie am Ende des Ladevorgangs abfällt.
    7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erhöhte innere Reibung erkannt wird, wenn die Kraft-Weg-Kennlinie stärker als erwartet ansteigt.
    8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtausfall und/oder eine Verpolung erkannt wird, wenn die Kraft-Weg-Kennlinie verzehrt ist.
    9. Vorrichtung zur Überwachung eines piezoelektrischen Aktors zur Steuerung eines Injektors, mit Mitteln, die eine Kennlinie des Aktors ermittelt, die ermittelte Kennlinie mit einer erwarteten Kennlinie vergleichen und bei einer Abweichung der ermittelten Kennlinie von der erwarteten Kennlinie ein Fehler des Injektors erkennen.
    10. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte von jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, ausgeführt wird.
    11. Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, ausgeführt wird.
    12. Digitales Speichermedium, insbesondere Diskette, mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, daß ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgeführt wird.
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